抽水蓄能電站單機容量與機組轉速選擇

韓伶俐，王改會

(1.水電水利規(guī)劃設計總院，北京100120；2.水電水利規(guī)劃設計總院有限公司，北京100120；3.長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，湖北武漢430010)

為適應風力、太陽能等新能源發(fā)電隨機性、波動性和間歇性的特點，以及電力系統(tǒng)峰谷差異，電網需要配套相應的調節(jié)電源。抽水蓄能是當前技術最成熟、經濟性最優(yōu)、最具有大規(guī)模開發(fā)條件的電力系統(tǒng)綠色低碳清潔靈活調節(jié)電源，與風電、太陽能發(fā)電、核電等聯(lián)合運行效果最好。2022年，我國新核準抽水蓄能電站48座，核準總裝機規(guī)模6 889.6萬kW[1]；截至2022年底，中國抽水蓄能電站已投產總裝機容量4 579萬kW，已建、在建裝機規(guī)模1.6億kW，另有近2億kW的抽水蓄能電站正在開展前期勘察設計工作。

要全面發(fā)揮抽水蓄能電站調峰、填谷、儲能、調頻、調相等作用，抽水蓄能電站機組需長期安全穩(wěn)定運行。機組單機容量和額定轉速選擇是抽水蓄能電站前期設計的重點之一，對其深入研究有較大的現實意義。

1 蓄能機組發(fā)展概況

1.1 相關數據統(tǒng)計

日本葛野川(Kazunogawa)抽水蓄能電站裝設2臺定速機組和2臺變速機組，電站水泵水輪機使用水頭和最高揚程在國外已投入運行的單級混流式蓄能機組中為最高，其水輪機工況最大水頭728 m[2]、額定輸出功率412 MW，水泵工況最高揚程782 m[3](變速工況)。日本神流川(Kannagawa)抽水蓄能電站水泵水輪機的單機容量最大，在額定水頭653 m[4]時輸出功率為463 MW。2009年改造后的美國巴斯康蒂抽水蓄能電站水頭329.2 m，發(fā)電功率380 MW，最大水頭384 m[5]時出力為508 MW，機組轉速257 r/min，水泵水輪機轉輪直徑6.38 m。美國勒丁頓抽水蓄能電站水頭87～108 m，水輪機額定出力312 MW，最大出力343 MW，機組轉速112.5 r/min，水泵水輪機轉輪直徑8.23 m[6]，是目前世界上直徑最大的水泵水輪機。

國內已建電站單機容量多數在300～400 MW。已建成的電站中，廣東陽江抽水蓄能電站單機容量最大，達400 MW[7]。浙江長龍山蓄能電站使用水頭最高，水輪機工況最大水頭750.73 m，水泵工況最高揚程764.14 m，電站6臺機組中的4臺機組轉速為500 r/min，2臺機組轉速為600 r/min。在建的浙江天臺蓄能電站的單機容量為425 MW、最大水頭761.5 m、最高揚程777 m，水頭和單機容量均為國內最大。

目前國內外已建、在建抽水蓄能電站在單機容量、轉輪直徑或者參數水平等方面比較有特色的各水頭段部分電站主要參數統(tǒng)計見表1。

表1 國內外蓄能電站水泵水輪機主要參數

1.2 比速系數

1.3 轉輪直徑

水泵水輪機轉輪的高壓側直徑D1是水泵水輪機的另一個重要參數。目前國內已投運的抽水蓄能電站中轉輪直徑最大的為白蓮河抽水蓄能電站水泵水輪機，轉輪直徑達5.26 m。前期設計中的緊水灘低水頭混合式抽水蓄能電站，其轉輪直徑達到5.8 m。

2 水泵水輪機主要參數選擇分析

與常規(guī)水輪機參數選擇一樣，水泵水輪機參數選擇關鍵在于如何根據抽水蓄能電站的實際運行水頭和揚程、單機容量等，使機組功率、轉輪直徑、轉速、安裝高程等水泵水輪機主要技術參數達到最佳配合。行業(yè)內一般以水輪機額定水頭工況比轉速nst和水泵工況最低揚程時的比轉速nq，來衡量水泵水輪機參數水平；也可使用比速系數K來衡量，此時能同時表征水頭和比轉速。本文選用水輪機額定水頭工況和水泵最低揚程工況下比速系數評價蓄能機組參數。

2.1 比速系數

水泵水輪機水泵工況揚程如要達到和水輪機工況同樣的水頭，水泵工況轉速應比水輪機工況高約18%[8]。機組轉速選擇需綜合考慮水輪機工況和水泵工況運行范圍。

通過導葉的合理調節(jié)，水輪機工況一般可以得到范圍較大的高效區(qū)和功率調節(jié)區(qū)，故通?？赡媸剿盟啓C的水力設計是以水泵工況設計、水輪機工況校核的方式進行。由于水泵工況導葉調節(jié)對流量影響不明顯，定轉速水泵水輪機水泵入力不可調，故其高效率范圍比較?。凰迷诖罅髁繀^(qū)(低揚程)受空化特性限制，在小流量區(qū)(高揚程)又需要留有一定的“駝峰”余量[11]。因此，水泵工況應圍繞最優(yōu)效率附近運行，其設計邊界在最高揚程應有一定的“駝峰”余量和較高的效率；在最低揚程處以水泵最大入力為限，在滿足抽水量要求條件下，將空化控制在合理的范圍以內。為首先滿足水泵工況的要求，水輪機工況的運行范圍一般會偏離最優(yōu)運行區(qū)且向高單位轉速方向偏，所以對定轉速的混流式水泵水輪機來說，水輪機工況的比速系數高于常規(guī)混流式水輪機。

對于水泵水輪機來說，比轉速過小，意味著轉輪流道相對加長，寬度相對減小，流道內摩擦阻力及轉輪外壁圓盤損失增加而使水力效率急劇下降，葉片流道的凈空太小也不利于加工制造。比轉速過大，可能會加劇水泵水輪機空蝕，且對于高水頭蓄能機組，大比轉速意味著高同步轉速，可能帶來發(fā)電電動機制造難度過大、結構設計和材料選擇困難等。

根據目前的設計制造水平，水泵水輪機水泵工況的比轉速nq選在30～50范圍內可以得到較高的水力效率；500 m級水泵水輪機比轉速nq一般在27左右，不宜低于25[8]，對于低揚程水泵水輪機其水泵比轉速nq不宜超過82。水輪機工況比速系數一般不超2 500，最大不宜超2 650[12]；水泵工況比速系數一般不超3 700，最高不宜超4 000[13]。

2.2 轉輪直徑

水泵水輪機比速系數范圍確定后，機組轉速相應選定，水泵水輪機的轉輪直徑根據最高揚程及其“駝峰”余量計算確定。

轉輪直徑大小影響到加工焊接工藝及加工材料的選擇。當直徑過大時，因對外交通等因素限制轉輪不能整體運輸到現場。當轉輪直徑過小，則高水頭水泵水輪機轉輪高壓邊的高度小，轉輪內部空間狹小、焊接和加工困難，發(fā)生制造質量或運行缺陷需要修復時更是困難重重。

3 水泵水輪機主要參數選擇

3.1 比速系數、轉輪直徑和單機容量

機組單機容量、轉速、轉輪直徑、吸出高度等參數的選擇直接影響整個廠區(qū)樞紐建筑物的布置。從技術角度考慮，目前的水泵水輪機設計手段、材料選擇和加工工藝可以大幅提高的地方不多。雖然提高轉速可以減小機組尺寸以及廠房尺寸、提升參數和工程經濟性，但也可能導致吸出高度絕對值增大、空蝕現象加劇等。因此，水泵水輪機應選擇合理的技術參數，不宜追求過高的比轉速，要把運行穩(wěn)定性、可靠性和良好的空化性能放在前面。對200 m以下或更低水頭、過機含沙量大的抽水蓄能電站，宜選用較低的比速系數。

在前期設計過程中，設計單位通常根據統(tǒng)計公式計算出比轉速和比速系數，參照近期投運的國內外相近水頭段蓄能機組的設計和制造水平，結合發(fā)電電動機同步轉速及制造廠推薦的技術方案，綜合考慮機組效率和電站埋深，經技術經濟比選后確定額定轉速。目前，對于大型水泵水輪機而言，額定轉速一般可選擇250、300、333.3、375、428.6、500 r/min等。

根據抽水蓄能電站發(fā)展趨勢，結合制造廠商技術方案建議、電站實際運行統(tǒng)計值及國內設計單位的統(tǒng)計經驗值，推薦不同水頭段定轉速水泵水輪機比速系數、轉輪直徑、單機容量等主要參數限制值見表2。為方便查閱，本表中額定水頭200 m以上間隔50 m一檔，額定水頭200 m以下間隔40 m一檔。

表2 定轉速水泵水輪機主要參數限制建議值

表2中額定水頭350 m、單機350 MW方案和額定水頭450 m、單機400 MW方案目前國內尚無制造業(yè)績。從表2可以看出，中間水頭段水輪機工況比速系數高，高水頭段和低水頭段水輪機工況比速系數低；水泵工況則是揚程越高比速系數越高。這可以從比速系數公式看出來，水泵工況比速系數KP=nQ0.5，水輪機工況比速系數KT=nN0.5/H0.75=AnQ0.5/H0.25，其中A為一定值；高水頭時，KP變大，KT反而變小。低揚程水泵水輪機水泵比轉速nq不宜超過82，其比速系數明顯下降。

3.2 單機容量、最小揚程及額定轉速

根據表2推薦的定轉速水泵水輪機比速系數限制值，針對常見的電站單機額定容量250、300、350、400、425 MW抽水蓄能機組，選擇不同額定轉速進行水泵水輪機最小揚程的反算。根據反算結果，推薦常用的單機容量下不同的最小揚程對應的額定轉速見表3。

表3 不同單機容量及揚程水泵水輪機對應額定轉速速查表

表2、3中數據為目前抽水蓄能機組的運行經驗和設計水平的大體總結，在此范圍內水泵水輪機水力研發(fā)易于滿足預期的效率、空化和壓力脈動等性能指標要求。表3中單機容量為300 MW、最小揚程為200～240 m時，水泵水輪機轉速為272.7 r/min較合適，但發(fā)電電動機支路數及槽電流不好選擇，故推薦機組額定轉速為250 r/min。

3.3 超常規(guī)水泵水輪機主要參數的選擇

為了提高工程的經濟性，部分蓄能電站機組轉速選擇可能偏高，對于此類突破現有經驗的工程需要進行深入的研究。從國內某已建成投運的抽水蓄能機組實際運行情況來看，機組運行不久，轉輪低壓邊發(fā)生較為明顯的空蝕現象。還有幾個蓄能電站在下水庫低水位時不能抽水運行，水泵水輪機的運行揚程特性未達到預期。因此，當所選比速系數超過水頭和容量相當、并已成功投運的水泵水輪機的比速系數較多時，應進行充分研究。

當單機容量、轉輪直徑、比速系數取值超過表2限制值時，宜在取得制造廠商水力設計分析研究成果基礎上，分析機組設計制造可行性、長期運行穩(wěn)定性、機組各項性能指標的合理性、電站水能參數選擇和樞紐工程為機組運行穩(wěn)定性采取的主要措施，以及降低機組性能指標長期運行對電站經濟性的影響等。

目前，抽水蓄能電站前期機組選型設計過程中，還有幾點應引起重視：

(1)高水頭段某些單機容量存在同步轉速匹配比轉速的問題，單機容量350 MW、750 m水頭段的機組轉速選500 r/min時水泵水輪機參數明顯較低，選600 r/min時則偏高。

(2)配合風電和光伏運行的蓄能電站單機容量的選擇需考慮機組的啟停對電網的沖擊影響，單機容量不宜過大。

(3)高海拔地區(qū)電站單機容量的選擇還需考慮發(fā)電電動機電氣參數的修正。

(4)對于中低水頭過機泥沙含量較大的電站，宜選用低一檔的轉速。

(5)對于裝機容量較大的抽水蓄能電站，為了發(fā)電電動機電磁設計較優(yōu)，宜根據水泵水輪機和發(fā)電電動機設計水平的進步，論證選擇合適的單機容量和機組轉速。

(6)對于具有兩個轉速可供選擇的水泵水輪機-發(fā)電電動機組，宜細致研究水泵水輪機和發(fā)電電動機的參數匹配。

(7)過分追求高比轉速可能使水泵水輪機空蝕加劇，水泵工況下轉輪與活動導葉之間的壓力脈動相對值和水輪機工況尾水管壓力脈動相對值可能上升，影響機組安全穩(wěn)定運行。

(8)機組埋深太大，導致上下游壓力更大，不利于設置自流排水洞，且在機組調相和水泵工況啟動壓氣時需要更高的壓縮空氣壓力，此時應選擇空轉軸入力和壓縮空氣流失量較少的尾水管，避免機組調相壓氣和水泵工況啟動壓氣時空轉力矩、壓縮空氣流失量增加[14]。

(9)機組比速系數高或揚程變幅較大時，其吸出高度絕對值宜相應加大[15]，同時機組安裝高程的選擇還應滿足電站水力過渡過程尾水管進口真空度要求。

4 結 語

本文基于抽水蓄能電站水泵水輪機主要參數統(tǒng)計分析，重點研究了如何更加方便的確定不同水頭、不同單機容量機組轉速。希望通過本文能使抽水蓄能電站設計人員在前期設計階段減少因不同設計理念造成的工作反復，提高抽水蓄能電站水泵水輪機選型設計的工作效率和成果質量。